FLOW-3D 應用於港灣防波堤堤頭沖蝕特性之研究

林義復1 李忠潘

2 曾以帆

3 邱永芳

4 何良勝

5

1國立中山大學海洋及環境工程學系博士候選人 2國立中山大學海洋及環境工程學系教授

3國立中山大學海洋及環境工程學系助理教授 4交通部運輸研究所港灣技術研究中心主任 5交通部運輸研究所港灣技術研究中心組長

摘要

本研究應用 Flow-3D CFD 軟體針對台灣西海岸中部之台中港及麥寮工業港防坡堤附近海

床進行三維波場流場數值模擬，以瞭解港灣防波堤附近海床沖蝕之特性。根據研究區海域內 50

年重現期之颱風波浪作為造波條件，以本研究的實測潮位做為流場啟動邊界，引用 1996 年實

測水深資料建立動床邊界，應用 Computer Aided Design (CAD) 製作港口實體物理模型波流場

流固耦合互制邊界。由數值模擬結果可以初步了解本研究海域內防坡堤堤頭的沖蝕現象是因為

前進重力波列遭遇防波堤的遮蔽所引發的垂直及水平渦流，以及潮流場對於淘刷區內懸移質搬

運現象所造成。

關鍵詞：Flow-3D、防波堤、海床沖蝕、流固耦合

FLOW-3D Investigation on Scour Development around

the Head of A Breakwater

I-Fu Lin Chung-Pan Lee* I-Fan Tseng Yung-Fang Chiu Liang-Sheng Ho

* Professor, Department of Marine Environment and Engineering, National Sun Yat-sen University

ABSTRACT

In the study, a 3-Dimensional numerical simulation of wave and flow field were performed by

the CFD software Flow-3D in purpose to investigate the the causes of seabed scouring around

breakwater heads in the Port of Mailiao and the Port of Taichung which are located in the middle west

coast of Taiwan. The wave boundaries according to the typhoon wave estimation conditions of a

50-year return period in the open sea of these two ports. A move-bed bottom boundary was generated

by sounding data of the year 1996, and the harbor CAD (Computer-aided design) physical model as

the requirement of Fluid–structure interaction boundary. The results show that the erosions

phenomenon around the head of breakwater in the study due to the vertical and horizontal vortices

which caused by the shielding of the progressive wave, with the addition of suspended load transport

through the scouring area by tidal stream.

Keywords: Flow-3D; Breakwater; seabed erosion; Fluid–structure interaction

一、前言

海事結構物因為沿海波流長時間交互作用，結

果可能在其附近海域造成底床淘刷現象，甚至導致

結構的破壞甚或傾倒，如港灣防波堤堤頭附近的海

底地形，可能因為波浪及海潮流的集中、下沖或轉

276

第 38 屆海洋工程研討會暨科技部計畫成果發表會 論文集 國立臺灣大學 2016 年 12 月 Proceedings of the 38th Ocean Engineering Conference in Taiwan National Taiwan University, December 2016

向等造成堤頭沖蝕現象。本研究以台灣西海岸中部

之台中港及麥寮工業港為研究案例，其中，台中港

淘刷最深處位於北防波堤堤頭向外海延伸方向約

140 m 處，最深處約 –32 m；麥寮工業港西防波

堤堤頭處之原設計水深約為 –22 m，根據 2012 年

實測海底地形顯示，堤頭附近海域底床已形成一個

約 500 m × 100 m 的深坑，其最深處達 –48 m，

淘刷之深度已達 26 m，其嚴重程度將危及防波堤堤

身以及港灣船舶航行的安全。而應用 computational

fluid dynamics (CFD) 數值模擬正可以提供快速呈

現防波堤堤頭海底地形侵蝕的機制，以期探討可行

的防治機制，不但合乎經濟性且其可信度高。由本

研究數值模擬結果可以初步了解本研究海域內防坡

堤堤頭的沖蝕現象是因為前進重力波列遭遇防波堤

的遮蔽所引發的垂直及水平渦漩效應，以及漲落潮

流場對於淘刷區內懸移質持續的搬運所造成。

二、文獻回顧

麥寮工業港防波堤海域地形變遷分析多以潮流

水動力作用為底床主要沖刷因素進行數值模式模擬

分析 (劉與黃，2000)，並未考慮波浪在堤前反射形

成短峰波所產生之堤腳沖刷。許等人 (2003) 建立

港口防波堤前沖刷之海域地形變化模式，模擬麥寮

工業港西防波堤堤前沖刷現象，分析其動力機制及

侵淤原因。

Dentale (2012) 利用 Flow-3D 模擬三維石堆斜

坡底床，分析波流對於消波設施的反射、透射、溯

升、越波與碎波等現象，以及結構體基礎的穩定性。

陳(2009)應用 Flow-3D 模擬防波堤堤頭附近海床上

的波壓力與海床變形液化之關係，顯示最大波高與

海床超靜孔隙水壓力最大值均位於距堤頭 0.5 倍波

長附近，也是最易發生液化的地方。賴(2009)以

Flow-3D 計算不透水和孔隙底床之波浪變形、流場

及紊流特性，結果顯示孔隙底床對波浪發生碎波之

型態產生影響，使得因捲波 (plunging) 而產生的迴

流減弱消失。因孔隙層之摩擦及滲透作用，在碎波

帶與沖刷帶之間波能消散、流場及紊流特性有很大

的差異。Achartya(2011) 利用 Flow-3D 的紊流模式

模擬探討系列丁壩平面底床沖刷機制，定量剖析丁

壩周圍縱向、橫向及垂直面紊流流場。馬(2011)利

用 Flow-3D 的紊流模式求解非定常雷諾平均方程

式(RANS)之控制方程式，探討潛堤與直立堤間之波

高水位變化及波流場狀態。結果顯示波浪通過潛堤

後，受直立堤反射影響，重複波波峰位置因兩堤間

距不同而變化，當兩堤間距為 0.25 倍和 0.75 倍波長

時，波高與水位較高。

三、理論基礎

3.1 FLOW-3D® 控制方程式

3.1.1 質量連續方程式

DIF x

y z

R Ax x

A Ay y z z

(1)

上式中係數 等於 cpμ/ρ，其中 μ 是動量

分佈的係數(例如黏度)，cp 是對應於紊流施密特數

(turbulent Schmidt number)的常數。

3.1.2三維動量方程式

以直角座標的形式將 Navier-Stokes Equation

展開可得 (X, Y, Z) 三個方向的流體速度 (u, v, w)：

1

1( )

u u u uuA vA wAzx y

t V x y zF

RP SOR- f u ux sx V

F

(2)

1

1( )

x y z

F

SOR

y s

F

v v v vuA vA wA

t V x y z

RP- f v v

y V

(3)

1

1( )

x y z

F

SORz s

F

w w w wuA vA wA

t V x y z

RP- f w w

z V

(4)

上式中 us , vs , ws 是流體表面速度，fx ,

fy ,fz 為 X ,Y ,Z 三個方向的黏滯項

3.2 底質淘刷模式

Flow-3D 的泥沙淘刷模組主要來預測泥沙的輸

沙侵淤過程，這個模式可以同時模擬不同屬性之沙

礫、淤泥以及非黏性沉積物等於任何流場的流動。

277

3.2.1 底床剪切應力 (Bed shear stress)

底床剪切應力是流體施加於底床載表面的剪切

應力，運用三維紊流壁面函數求解。

3.2.2 臨界希爾茲數

希爾茲數(Critical Shields parameter)是底床剪

切應力無因次的表達式，定義如下：

n

n n fgd

(5)

式中 g 表示重力絕對值，n表示底質顆粒的質

量密度，dn表示粒徑，其下標 n用來標示底質種類。

3.2.3 夾帶起沙和沉積

在此模式中，夾帶起沙和沉積(Entrainment and

Deposition)彼此微過程是在同一時間交互發生的，

兩者共同決定底床載和懸浮載之間的交換淨率

3.2.4 底床載輸沙 (Bed load Transport)

無因次底床載輸沙率定義如下式：

,

1

3 2

b n

n

n n

q

g s 1 d

(6)

式中 qb,n表示底床載每單位床寬容積輸沙率。

3.2.5 懸浮載輸沙

多分類懸浮輸沙(Suspended load transport)公式

求解：

, , , ,s n

s n s n s n

CC DC

t

u (7)

這裡 Cs,n是懸浮泥沙量的濃度，定義每一流體

泥沙混合物體積的泥沙質量，D 是擴散係數，us,n

是不同分類 n 泥沙的速度。

四、邊界條件與網格處理

4.1 波場計算範圍及水深地形

台中港波場數值模擬以北防波堤堤頭附近海域

並包含南防波堤為計算範圍，如圖 1 所示。防波堤

堤頭附近計算範圍為 4.3 km × 3.8 km，底床邊界

採用附近海域實測地形資料，如圖 3 所示。

麥寮工業港波場數值模擬以麥寮工業港西防波

堤堤頭附近海域並包含東防波堤為計算範圍，如圖

2 所示。防波堤堤頭附近計算範圍為 2.3 km × 2.6

km，底床邊界採用附近海域實測地形資料，如圖

4。根據網格獨立性測試結果，入射波向 (y) 網格

設定為 1/20 波長，平行波向網格 (x) 設定為 1/10

波長，而垂直水層網格 (z) 則設定為 1/180 波長。

圖 1 台中港三維波場數值計算領域示意圖

圖 2 麥寮工業港三維波場數值計算領域示意圖

4.2 流場計算範圍及水深地形

臺中港流場數值模擬以臺中港北防波堤堤頭附

近海域並包含南防波堤為計算範圍，如圖 3 所示。

臺中港計算範圍為 13 km × 17 km，實測地形水

深，北防堤堤頭約於計算領域的中心點偏東 1.5 km

處，底床邊界採用附近海域實測地形資料，如圖 3

所示。根據網格獨立性測試結果，X、Y 水平方向

之網格距離 (x) 與 (y) 分別為 50 m，垂直水層

網格 (z) 為 1 m。以 2012 年 4 月 20 日至 4 月 25

日間本研究台中港海域自計式潮波流儀 W 測站之

潮位紀錄進行潮汐調和常數推算至前述開放水域邊

界之潮位。

麥寮工業港流場計算領域以防波堤堤頭為原

點，開放水域距離約 8000m處設定計算領域的潮位

278

邊界，即南北長幅為 16 km、東西寬幅為 12 km，

如圖 4 所示。；底床邊界依據本研究現場實測水深

建置。以 2012 年 5 月 3 日至 5月 9 日間本研究麥寮

港海域自計式潮波流儀 W 測站之潮位紀錄進行潮

汐調和常數推算至前述開放水域邊界之潮位。

圖 3 台中港三維流場數值計算領域示意圖

圖 4 麥寮工業港三維流場數值計算領域示意圖

五、結果與討論

5.1波場水面流況與底床變化

5.1.1 台中港

為了進一步瞭解數值模型波場內的流況，並提

供更易於理解的資訊，對數值的時序列計算結果，

進行統計與分析。首先定義分析海域範圍，以台中

港北防波堤堤頭為原點，其方形對角點座標：([-400,

-100]、[100,200])；以麥寮工業港西防波堤堤頭為原

點，其方形對角點座標：([-400, -300]、[100,200])，

如圖 5 所示。對該波場內所有模擬時間步階的水分

子速度由大至小進行排序，其第一筆資料即為最大

值 (Vmax)，並計算其總資料量的前十分之一的水

分子速度平均值 (V1/10) 及前三分之一的水分子速

度平均值 (V1/3)，各分析案例如表 1。

圖 5 台中港波場防波堤頭底床流速分布時序圖

表 1 防波堤頭附近最大底床水分子速度分佈分析

分析

案例

造波

邊界

海象

條件 波高 (m)

週期 (s)

底床

流速 Vmax

底床

流速 V1/10

底床

流速 V1/3

台中港

波場 北側

颱風

50 年 7.40 11.4 2.82 1.23 0.91

台中港

波場 西側

颱風

50 年 7.40 11.4 2.38 1.45 0.99

台中港

波場 北側

夏季

平均 1.02 5.8 0.02 0.01 0.008

台中港

波場 北側

夏季

最大 7.50 6.0 0.31 0.10 0.08

台中港

波場 北側

冬季

平均 2.08 6.3 0.11 0.03 0.02

台中港

波場 北側

冬季

最大 6.91 6.0 0.26 0.09 0.07

麥寮港

波場 北側

颱風

50 年 5.90 10.2 2.73 0.87 0.59

麥寮港

波場 西側

颱風

50 年 5.90 10.2 2.30 1.63 1.13

5.1.2 麥寮工業港

為節省篇幅本文只擷取第 15 造波週期(15 T)模

擬結果繪製流速及自由水面變化，如圖 6 所示。圖

中 Y = 775 m、0 m及 –775 m三個波浪水粒子速

度( 2 2 2u v w )剖面，垂直分層間距 5 m，以堤頭為

原點向開放水域延伸 1000 m，防波堤北側短峰波場

分層間速度振幅較大，下游邊界波場分層間速度振

幅則趨於一致，堤頭西側附近波分層間速度振幅排

列整齊，200 m處則明顯呈現掏刷區。

279

圖 6 麥寮工業港波場 15 T流速及自由水面變化圖

5.2 流場水面流況與底床變化

5.2.1 台中港

台中港附近海域漲退潮的流況模擬過程共經歷

10 次漲潮與 10 次的退潮，漲潮段主要潮流流向分

布，如圖 7 所示，堤口近南防波堤處底床流速增強，

退潮段主要潮流流向分布，如圖 8 所示，北防波堤

堤端北側底床流速增強，西南流向的束縮潮流在防

波堤南側形成顯著的渦流。

圖 7 麥寮工業港漲潮階段圖

圖 8 麥寮工業港漲潮階段圖

5.2.2 麥寮工業港

麥寮港附近海域漲退潮的流況模擬過程共經歷

12 次漲潮與 12 次的退潮，漲潮段主要潮流流向均

趨於一致，如圖 9 所示，在防波堤南側為北向，在

防波堤北側受地形影響轉向偏東，南北邊界海域流

速較大，介於 0.5 m/s 至 1.0 m/s 之間，西北方海域

流速小於 0.2 m/s。麥寮退漲潮時段，如圖 10 所示，

邊界的水位變化時序進入退潮段後，整體流向由北

轉為南向，高流速的區域自北方邊界向南移動，大

約穩定於麥寮港外西方至西北西方海域。靠近西防

波堤側，以堤頭為起點存在向南延伸的帶狀高流速

系統，流向為南至南南東之間，流速約為 1.0 m/sec。

圖 9 麥寮工業港漲潮階段圖

圖 10 麥寮工業港退潮階段圖

280

六、結論

利用 Flow-3D對台中港及麥寮工業港防波堤堤

頭附近海域進行三維動床波場及流場數值模擬，波

場方面，台中港計算範圍為 4.3 km × 3.8 km，麥

寮工業港計算範圍為 2.3 km × 2.6 km，底床邊界

均採用 1996 年實測地形資料；分別設定開放水域之

北側、西北側、西側、西南側與南側為入射波浪邊

界，造波條件包括夏季季風浪、冬季季風浪與該區

海域 50 年重現期之颱風波浪，其中以北側海域入射

波防波堤阻擋形成反射波，大幅增長了此海域的波

高，亦提高了波場下的流速。前進波列與防波堤遮

蔽引發的離岸方向帶狀流形成的垂直渦流應該是造

成防波提堤頭附近海床淘刷洞的主因。

流場方面，利用 FLOW-3D® 對台中港防波堤

海域進行流場數值模擬，計算範圍 12 km × 16

km，底床邊界採實測水深地形，分別使用邊界潮位

驅動潮流模擬研究區域內的流場。漲潮時堤口近南

防波堤處進港方向底床流速增強，反之在北防波堤

端底床流速趨於和緩，沿岸流因北向流影響於堤頭

北側反轉。退潮時段，北防波堤堤端北側底床流速

增強，西南流形成帶狀流在防波堤南側形成顯著的

渦流。堤頭前之垂直流況變化則呈現顯著的垂直渦

流，混合漲退潮搬運懸移載加深淘刷區沖蝕趨勢，

未來將進一步探討懸移載與淘刷區穩定的關係，並

與水工試驗驗證淘刷區的高程和浸淤量的變化。

謝誌 本論文係交通部運輸研究所港灣技術研究中心

研究計畫「港灣防波堤堤頭三維沖蝕特性及防制機

制之研究」(編號 MOTC-IOT-104-H2DB005d)之研

究成果，承蒙交通部經費之補助使本研究得以順利

完成，謹致謝忱。

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